合金钢、铸铁、有金属的显微组织观察与分析

实验目的实验说明实验内容及方法指导实验报告要求思考题

一：实验目的　

(1)观察各种常用合金钢、有金属和铸铁的显微组织。

(2)分析这些金属材料的组织和性能的关系及应用。

二：实验说明　

1．几种常用合金钢的显微组织

一般合金结构钢、低合金工具钢都是低合金钢。即合金元素总量小于5％的钢，由于加入了合金元素，使相图发生了一些变动，但其平衡状态的显微组织与碳钢没有质的区别。热处理后的显微组织仍然可借助C曲线来分析，除了Co元素之外，合金元素都使C曲线右移，所以低合金钢用较低的冷却速度即可获得马氏体组织。例如，除作滚动轴承外，还广泛用作切削工具、冷冲模具、冷轧辊及柴油机喷嘴的GCrl5钢，经过球化退火、840~C油淬和低温回火，得到的组织为隐针或细针回火马氏体和细颗粒状均匀分布的碳化物以及少量残余奥氏体。

高速钢是一种常用的高合金工具钢。如W18Cr4V高速钢，因为含有大量合金元素，使Fe—Fe3C相图中点E大大向左移动，所以它虽然只含有w(C)=0．7％~0．8％碳，但已经含有莱氏体组织。在高速钢的铸态组织中可看到鱼骨状共晶碳化物，如图1所示。这些粗大的碳化物，不能用热处理方法去除，只能用锻造的方法将其打碎。锻造退火后高速钢的显微组织是由索氏体和分布均匀的碳化物组成(图2)。大颗粒碳化物是打碎了的共晶碳化物。高速钢淬火加热时，有一部分碳化物未溶解，淬火后得到的组织是马氏体、碳化物和残余奥氏体(图3)。碳化物呈颗粒状，马氏体和残余奥氏体都是过饱和的固溶体，腐蚀后都呈白，无法分辨，但可看到明显的奥氏体晶界。为了消除残余奥氏体，需要进行三次回火，回火后的显微组织为暗灰回火马氏体、白亮小颗粒状碳化物和少量残余奥氏体，如图4所示。

图1 W18Cr4V钢铸态组织

图2 W18Cr4V钢锻后退火组织

图3 W18Cr4V钢的淬火组织

图4 W18CNV钢的淬火回火组织

2．铸铁的显微组织

依铸铁在结晶过程中石墨化程度不同，可分为白口铸铁、灰口铸铁、麻口铸铁。白口铸铁具有莱氏体组织而没有石墨，碳几乎全部以碳化物形式(Fe3C)存在；灰口铸铁没有莱氏体，而有石墨，即碳部分或全部以自由碳、石墨的形式存在。因此，灰口铸铁的组织可以看成是由钢基体和石墨所组成，其性能也由组织的这两个特点所决定；麻口铸铁的组织介于灰口铸铁与白口铸铁之间。白口铸铁和麻口铸铁由于莱氏体的存在而有较大的脆性。

(1)石墨。石墨本身的强度、硬度、塑性都很低，几乎等于零。因此，石墨对铸铁性能的影响极大。石墨的形状愈细长、粗大或分布不均匀，则产生应力集中的程度就愈严重，从而大大降低铸铁的强度和塑性。

(2)基体组织。根据石墨化程度不同，铸铁的基体组织不同，一般情况下，可分为三种：铁素体、珠光体鬼窝+铁素体、珠光体。

(3)各种铸铁的显微组织特征。

普通灰口铸铁：石墨呈粗片状析出，如图5所示。

变质灰口铸铁：在铸铁浇注前，往铁水中加入变质剂增多石墨结晶核心，使石墨以细小片状析出。

球墨铸铁：在铁水中加入球化剂，浇注后石墨呈球状析出，如图6所示。

可锻铸铁：将白口铸铁锻化退火，使石墨呈团絮状析出，如图7所示。

图5 F基体灰口铸铁

图6 P+F基体球墨铸铁

3．几种常用有金属的显微组织

(1)铝合金。铝合金应用十分广泛，分为形变铝合金和铸造铝合金。

铝硅合金是广泛应用的一种铸造铝合金，俗称硅铝明，w(Si)=ll％~13％。从AL一Si合金图可知，硅铝明的成分接近共晶成分，铸造性能好，铸造后得到的组织是粗大的针状硅和α固溶体组成的共晶体(图8)。硅本身极脆，又呈针状分布，因此极大地降低了合金的塑性和韧性。为了改善合金质量，可进行“变质处理”。即在浇注时，往液体合金中加入w(合金)=2％~3％的变质剂(常用钠盐混合物：2／3NaF+1／p63战斗机3NaCl)，可使铸造合金的显微组织显著细化。变质处理后得到的组织已不是单纯的共晶组织，而是细小的共晶组织加上初晶α相，即亚共晶组织，如图9所示。

图7 P基体可锻铸铁

图8 未变质处理的硅铝明合金组织

图9 经变质处理后硅铝明合金组织

图10 单相黄铜的组织特征

(2)铜合金。最常用的铜合金为黄铜(Cu—Zn合金)及青铜(Cu—Sn合金)。

根据Cu—Zn合金相图，含w(Zn)=39％的黄铜，其显微组织为单相α固溶体，故称单相黄铜，其塑性好，可制造深冲变形零件。常用单相黄铜为w(Zn)=30％左右的H70，在铸态下因晶内偏析经腐蚀后呈树枝状，变形并退火后则得到多边形的具有退火孪晶特征的α晶粒，如图10所示。因各个晶粒位向不同，所以具有不同深浅颜。 w(zn)=39％～45％的黄铜，其组织为β+β’(β’是CuZn为基的有序固溶体)，故称双相黄铜。在低温时性能硬而脆，但在高温时有较好的塑性，适于热加工，可用于承受大载荷的零件，常用的双相黄铜为H62，在轧制退火后的显微组织经w(FeCl3)=3％和w(HCI)=10％的水溶液浸蚀后，α晶粒呈亮白，β’晶粒呈暗黑，如图1l所示。

(3)轴承合金。巴氏合金是滑动轴承合金中应用较多的一种。锡基巴氏合金中w(Sn)=83％、w(Sb)=11％、w(Cu)=6％。其显微组织是在软的α固溶体的基体上分布着方块状β’(以化合物SnSb为基的有序固溶体)硬质点及白星状或放射状的Cu6Sn5，如图12所示。

图11 双相黄铜

图12 ZChSnSbll—6合金组织

20高锡铝基合金是典型的硬基体加软质点组织的轴承合金。此种合金具有高疲劳强度，又有适当硬度，且铝资源丰富，故可代替以锡、铅为基的巴氏合金及铜基轴承合金，广泛应用于高速重载的汽车、拖拉机等的柴油机轴承，20高锡铝基轴承合金成分为：w(Sn)=17．5％~22．5％、w(Cu)=0．75％~1．25％，余为A1。此合金为亚共晶合金，室温组织为初晶α和(α+Sn)共晶体，但在铸态下α+Sn以离异共晶形式出现，使锡成网状分布于α固溶体晶界上，经轧制退火使网状分布、低熔点的锡球化，其组

织为铝基固溶体上弥散分布着粒状的锡，为使高锡铝基轴

承合金和钢背结合牢固，采用钢带、铝一锡合金及夹有纯

铝箔中间的三层合金复合轧制，如图5．13所示。

图13 20高锡铝双金属合金组织

三：实验内容及方法指导　

(1)领取各种类型合金材料的金相试样(表1)，在显微镜下进行观察，并分析其组织形态特征。

(2)观察各类成分的合金要结合相图和热处理条件来分析应该具有的组织，着重区别各自的组织形态特点。

(3)认识组织特征之后，再画出所观察试样的显微组织图。画组织图时应抓住组织形态的特点，画出典型区域的组织。

顺序号	试样号	材料	处理状态	浸蚀剂
1	3	GCrl5	840℃油淬150℃回火	3％硝酸酒精溶液
2	6	W18Cr4V	1260~1280℃油淬	3萨纳克％硝酸酒精溶液
3	7	W18Cr4V	1270℃油淬560℃三次回火	3％硝酸酒精溶液四氯化碳萃取碘
4	HT3	灰铸铁	铸造状态	3％硝酸酒精溶液
5	KT6	可锻铸铁	可锻化退火	3％硝酸酒精溶液
6	QT9	球墨铸铁	铸造状态	3％硝酸酒精溶液
7	1	硅铝明	铸态(未变质处理)	0．5％溶液
8	2	硅铝明	铸态(变质处理)	0．5％溶液夹竹桃教学设计
9	3	黄铜		3％FeCl3+10％HCI溶液
10	4	基轴承合金	铸态	3％硝酸酒精溶液
11	7	20高锡铝钢背轴瓦	复合轧制退火	3％硝酸酒精溶液

四：实验报告要求　

(1)写出实验目的。

(2)分析讨论各类合金钢组织的特点，并与相应碳钢组织作比较，同时把组织特点与性能和用途联系起来。

(3)分析讨论各类铸铁组织的特点，并同钢的组织作对比，指出铸铁的性能和用途的特点。

五：思考题　

(1)合金钢与碳钢比较，组织上有什么不同，性能上有什么差别，使用上有什么优越性?

(2)铸造AL-Si合金的成分是如何考虑的，为何要进行变质处理，变质处理与未变质处理的AL-Si合金前后的组织与性能有何变化?

(3)轴瓦材料的组织应如何设计(即它的组织应具有什么特点)?巴氏合金的组织是什么?

(4)高速钢(W18Cr4V)的热处理工艺是怎样的扬卡洛夫?有何特点?

(5)要使球墨铸铁分别得到回火索氏体及下贝氏体等基体组织，应进行何种热处理?

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